通过替代性沼气利用途径实现鹿场废弃物综合价值化的环境生命周期分析及初步社会经济评估

《Biomass and Bioenergy》：Environmental life cycle and preliminary socio-economic assessments of integrated deer farm waste valorization through alternative biogas utilization pathways

　　• 仅使用电力生产沼气的方案将全球变暖潜能值（GWP）降低了75.4%，相较于现有的管理方式。• 最大模型预测的年发电量约为72.6兆瓦时（MWh yr?1）。• 厌氧消化过程每年产生约3348吨湿消化物。• 仅使用电力生产的方案所导致的GWP比混合利用方案低3.67千克二氧化碳当量（kg CO2-eq FU?1）。

引言
畜牧业在全球粮食生产、农村生计和农业发展中发挥着重要作用，但同时也产生了大量的有机废物。如果对畜牧业废物的管理不当，可能会导致温室气体排放、养分淋失、地下水污染、异味问题以及周边生态系统的退化[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。然而，在循环生物经济框架下，畜牧业废物不仅被视为一种环境负担，也是一种潜在的生物质资源，可用于可再生能源生产和养分回收[10]、[11]、[12]、[13]。因此，开发结合污染缓解和资源回收的综合性废物管理策略对于提高畜牧业生产系统的环境可持续性和资源利用效率至关重要。厌氧消化（AD）是一种成熟的畜牧业废物转化技术，它能够在无氧条件下将可生物降解的有机物转化为沼气和消化物。沼气可以通过发电、供热或直接作为燃料使用来提供可再生能源；而适当处理和管理的消化物则可以促进农业系统中的养分循环[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。不过，基于厌氧消化的系统的环境性能不仅取决于生物转化的效率，还取决于回收产品的后续利用方式。不同的沼气利用方式会替代各种传统能源载体，从而产生不同的环境效益。因此，评估基于厌氧消化的废物转化方案需要从系统层面出发，综合考虑上游的废物处理过程和下游的资源利用途径。

商业鹿养殖为这种综合性废物管理提供了一个相关但相对较少被研究的案例。在台湾，鹿养殖是一种专门的畜牧业活动，在中部地区尤为集中。根据2024年第一季度的官方统计数据，在台闽地区共有477家鹿场，饲养了13,034只鹿。位于台湾中部的南投县占了其中164家鹿场（占总数的34.38%）和4,663只鹿（占35.78%），这是调查中报告的最大区域集中度。根据官方农业数据，台湾鹿养殖的特点是集约化的圈养模式，平均每户家庭饲养32只鹿。养殖的鹿主要包括台湾水鹿、台湾梅花鹿和红鹿，其中台湾水鹿占主导地位。2023年第一季度，台湾水鹿占总养殖数的约87.9%。新鲜的鹿茸是该生产系统的重要高价值产品，而鹿肉和其他鹿产品也带来了额外的经济收益[19]。这些特点凸显了台湾中部鹿养殖的实际重要性，并强调了对该地区密集型生产所产生的废物进行适当管理的必要性。

与其他畜牧业生产系统类似，鹿养殖也会产生大量的有机废物，包括粪便、尿液、剩余饲料、固体残渣和清洗废水。如果这些废物处理不当，可能会导致温室气体排放、养分流失、异味污染以及周边环境质量的下降[20]、[21]、[22]。同时，鹿场废物的有机部分具有能量和养分回收的潜力。先前的研究已经证明了厌氧消化鹿粪的技术可行性。（Hanxi Wang, Xu, Sheng, & Liu, 2018）探讨了沼气浆液对鹿粪厌氧发酵的影响（Hanxi Wang et al., 2019）；研究了不同消化条件下的甲烷产量[21]；对鹿粪进行了表征并评估了其在混合发酵中的用途；[20]还研究了台湾水鹿粪的甲烷产量和微生物特性。最近的研究进一步探索了鹿粪和其他农村生物质基质的厌氧转化[23]。这些研究为鹿粪的厌氧消化提供了重要的技术基础。因此，本研究的主要创新点并不在于厌氧消化技术本身的可行性。

尽管已有这些进展，但以往关于鹿粪的研究主要集中在基质特性、消化效率、甲烷产量和微生物过程上，而对将厌氧消化与商业鹿场中其他沼气利用策略相结合的环境影响关注较少。这一差距尤为重要，因为商业鹿场实际处理的废物流可能与孤立的鹿粪有很大不同。在本研究中，待处理的废物流主要由清洗废水组成，而粪便、尿液、剩余饲料和固体残渣仅占总量的较小比例。因此，评估该系统需要从废物管理的角度出发，反映农场实际处理的混合废物情况，而不应将原料简单地等同于固体鹿粪。

生命周期评估（LCA）为评估此类综合性废物管理系统提供了合适的框架，因为它能够在一致的分析框架内考虑与废物处理、能源回收和产品替代相关的环境负担和收益[24]、[25]、[26]。以往的研究主要关注了来自牛粪、猪粪、屠宰场废水、食物废物和其他农业残渣的沼气生产[16]、[27]、[28]、[29]。虽然其他沼气利用途径在更广泛的沼气LCA文献中已有详细研究，但其应用于商业鹿场混合废物的案例仍鲜有记录。特别是以废水为主的鹿场废物流的环境性能受到的关注远低于牛粪、猪粪、食物废物等常见基质。

因此，本研究评估了台湾中部一个商业化鹿场废物管理系统中不同沼气利用途径的环境性能和初步的社会经济影响。比较了四种方案：现有的废物管理方式和三种基于厌氧消化的转化方案，其中回收的沼气分别用于（i）25%的发电和75%的烹饪燃料；（ii）100%的发电；或（iii）100%的烹饪燃料。在这三种转化方案中，废物产生量、原料组成、接种剂添加量、浆液制备和厌氧消化条件保持不变，从而将下游的沼气利用途径作为主要变量进行评估。环境性能通过LCA进行评估，而初步的社会经济评估则考虑了就业、可再生能源供应、资源利用及相关运营效益。

本研究的主要创新之处在于对一个实际存在的商业鹿场混合废物流进行了环境和初步的社会经济分析，这是LCA文献中较少涉及的畜牧业废物类型。与大多数以往鹿粪相关研究中研究的孤立固体鹿粪不同，此处评估的废物流主要由清洗废水组成，反映了商业农场的实际废物管理情况。通过比较不同的废物转化途径，分析了在同一厌氧消化条件下，相同回收沼气流的分配方式如何影响该特定鹿场的性能。因此，这种途径比较并非作为一种新的方法论概念，而是为了评估资源分配决策在代表性不足的鹿场废物管理背景下的环境后果。

**研究地点和农场特征**
本研究在位于台湾中部的林苑鹿场进行。农场的具体信息来自现场观察、运营记录以及2023-2024年度数据收集期间农场提供的资料。该商业鹿场占地面积约5公顷，其中1公顷用于鹿的饲养设施，其余面积用于支持农场活动，包括种植饲草（如纳皮尔草）。

**鹿场废物管理系统的生命周期清单特征**
生命周期清单（LCI）描述了所研究鹿场废物管理系统中的物质和能量流动，为后续的生命周期影响评估（LCIA）奠定了基础。根据定义的系统边界，本研究仅关注废物产生、收集、处理和资源回收过程，而不涉及整个鹿生产系统。因此，清单重点关注鹿场废物的数量和组成。

**结论与未来展望**
本研究利用生命周期评估框架，评估了商业化鹿场废物管理系统中不同沼气利用途径的环境性能和初步的社会经济影响，特别关注废物管理子系统。通过分析混合鹿场废物的处理情况，而不是整个鹿生产链，本研究提供了关于如何管理以废水为主的实际废物流的系统级评估。

**作者贡献声明**
Noveria Sjafrina：资源收集、正式分析、数据管理。
Alicia Amelia Elizabeth Sinsuw：写作-审稿与编辑、监督、方法论设计、概念制定。
Muhammad Syukur Sarfat：可视化设计、软件应用、正式分析、数据管理。
Tsung-Hsien Chen：数据验证、资源管理。
Pinrolinvic DK. Manembu：项目管理、数据调研。
Oktovian BA. Sompie：资金筹集。
Heryoki Yohanes：初稿写作、数据验证。
Chen-Yeon Chu：数据验证。

**关于生成式AI和AI辅助技术的声明**
在本文撰写过程中，作者使用了ChatGPT工具辅助语言润色、提高清晰度并优化文章结构。使用该工具后，作者对内容进行了审查和修改，并对发表文章的内容负全责。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：
Alicia Amelia Elizabeth Sinsuw表示获得了Sam Ratulangi大学（PNBP）的财务支持。
Chen-Yeon Chu教授表示获得了台湾国家科学技术委员会（NSTC）的财务支持。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响研究的公正性。

**致谢**
作者衷心感谢台湾国家科学技术委员会（NSTC）在项目编号NSTC 115-2221-E-035-087-MY3；114-2218-E-035-003下的支持。同时，作者也非常感谢印度尼西亚-manado的Sam Ratulangi大学在2026财年通过SP DIPA-139.03.2.693382/2026RDUU_K1合同号（合同编号：492/UN12.27/LT/2026）提供的财政支持。